分子生物学第11章转录前的基因活化

① 边界元件作用，它确定了独立的基因调节区域。
② 染色质调节作用，MARs作为刺激或阻遏基因表 达的顺式作用元件，可促进调节蛋白的结合和 作用。 ③ 作为DNA复制起点的组成起作用。 ④ 对于有丝分裂中期染色体的组装并保持一定形状 是重要的。
MARs的边界作用
图11－7 侧向构建有MAR的 转基因形成独立活性结构区
非活性染色质
活性染色质
极低浓度DNaseⅠ能够切割的位点 称为DNaseⅠ超敏感位点。
及色 常 质染 和色 非质 超活 ， 敏性 示 感染 活 位色 性 点质 染
成串的非甲基化的CpG序列称为CpG岛
DNaseⅠ
H1组蛋白的修饰
H1组蛋白结合在核小体 DNA进出口处，并
在形成二级结构30nm螺线管时起重要作用。当
基因扩增（续）
稳定系中扩增的 dhfr 基因成簇串联在一起， 位于一条染色体原来的 dhfr 基因位置上，而其同 源染色体的 dhfr 基因通常不扩增。不稳定系中扩 增 的 dhfr 基 因 以 双 小 染 色 体 （ double-minute chromosomes）的形式存在，每个双小染色体含 有2～4个 dhfr 基因，双小染色体可以自主复制， 但无着丝点，在有丝分裂中不能均等地分配到子 细胞中去，并常常因此而丢失。
基因丢失（续）
在对原生动物 Oxytrichia 的大核形成过程的研 究中发现，处于生殖细胞中的小核 DNA ，在分化 过程中被切割成长度为500～20000bp的线性片段， 而且大部分 DNA 在形成上述线性片段的过程中被 彻底降解。通过一种目前还不清楚的方式，剩下的 片段能够不断复制，直到每个细胞中含有 17000 种 不同片段的1000个拷贝为止。这些片段进一步建成 大 核 。 在 这 个 过 程 中 ， 大 核 所 含 的 DNA 是 小 核 DNA 的几百倍，但是丢失了一半以上的小核 DNA 序列。
DNA 水平的调控
基因重排
基因重排是改变基因组中有关基因序列结
构的一种基因表达调控方式。一个最典型的例
子是人和哺乳动物在 B淋巴细胞分化期间发生
基因组重建，从而产生抗体的多样性，以识别
和区分不同结构的抗原。
基因重排
抗体分子中最主要的IgG是由两条轻链和 两条重链组成。轻链和重链由3个独立的多基
因家族编码，其中两个编码轻链（ κ 和 λ ），
DNA甲基化
在真核生物DNA中，甲基化发生在胞苷酸残基
胞嘧啶环的5位碳原子上。甲基化位点通常在CG序
列上。对于植物来说，甲基化还能在CNG序列的C 上发生。 —— CG —— —— GC —— —— CNG —— —— GNC ——
在上述序列中，如果一个位点上只有一条链的 C被甲基化，称为半甲基化；如果一个位点两条链 的C都被甲基化，称为完全甲基化。
许多原生动物细胞中（纤毛虫纲的草履虫、 钟虫等）含有两种类型的核，小核和大核。通常 在它们的生殖细胞中只具有一个小核，当细胞分
化时，小核经历各种变化，最终结果是产生拥有
一个大核和一个小核的双核细胞。小核中含有无
活性的 DNA ，仅仅为将来产生生殖细胞贮藏遗传
信息；大核中的DNA则是具有转录活性的模板。
学方法和电泳等物理方法来提取。提取后残留
的结构，即为核基质（ nuclear matrix ），也
称核骨架（nuclear scaffold）。核基质的主要
成分是蛋白质。 间期染色质提取后残留的核基质是一种有 着不同密度的纤维状网。
基质附着区
真核生物的染色体是由周期性紧密结合在
核基质上的 DNA 环组成的。 DNA上与核基质结
基质附着区（续）
现有的研究表明， MARs 序列缺少保守性，
它们通常含有约 70% 的 A + T ，除此之外缺少 共有序列。不同来源的 MARs 之间不能相互杂 交，但可以与不同来源的核基质结合，说明其 序列同源性虽差，但在功能进化上却是保守的。
图11－3 MAR与核基质的相互作用
活 体 方 法
型DNA，而将其它的V、D、J切除；同样轻链也
取一个 V 、 J 与 L 、 C 重排。这样每一种淋巴细胞 能且仅能产生一种抗体。
鼠胚系Ig基因的构成
人胚系Ig基因的构成
小鼠Igμ重链的基因重排、 转录与合成的顺序
小鼠Igμ重链的基因重排、 转录与合成的顺序（续）
小鼠Igκ轻链的基因重排、 转录与合成的顺序
非组蛋白修饰
非组蛋白中包括各种转录因子（反式作用 因子），它们的活性也会受到修饰调节。 在非组蛋白中有一类，由于其在电泳中的高迁 移 率 ， 故 称 为 高 迁 移 率 蛋 白 （ high mobility group, HMG ），它们常与活性染色质结合，
并与转录效率升高相联系。
核基质
染色质可用盐、中性去垢剂和 Dnase 等化
与核基质结合
离 体 方 法
图11－4 活体或离体两种方法检测MAR（1）
活 体 方 法
提 取 的 DNA 跑 两 个泳道，用特异的 DNA 探针检测其中一 个泳道，看是否有特 异的MAR片段
离 体 方 法
图11－4 活体或离体两种方法检测MAR（2）
MARs在基因表达中的作用
MARs在基因表达中可能有4种作用：
MARs的边界作用
β－云扁豆蛋白基因
增强子不能促进表达
1kb DNA
增强子激活了表达
图11－6 基质附着区（MARs）功能分析
MARs 的调节作用
当用一个异源的酵母 ARS1 MAR 作为侧翼的
GUS （ β— 葡糖苷酸酶）报告基因转入烟草细胞，
使报告基因的表达水平提高了12倍，最高达24倍。 而改用来自烟草内源的与核基质结合较强的 R67 MAR 替 换 上 述 与 核 基 质 结 合 较 弱 的 酵 母 ARS1 MAR时，GUS的表达水平提高了60倍，最高达140
糖体以供胚胎早期发育的需要，通常专一性地Biblioteka Baidu增
rRNA 基因。非洲爪蟾体细胞 rDNA 拷贝数约 500 个， 而卵母细胞中rDNA的拷贝数可达2百万个，以染色 体外环状 DNA 分子的形式存在，每个环状 DNA 分 子含2～4个甚至多达16个rRNA基因。这些rDNA约
占整个卵母细胞DNA的75%。当胚胎期开始时，这
肽加工过程。这些过程对于生物生长发育是
非常重要的。
DNA 水平的调控
基因丢失
某些原生动物、线虫和甲壳类动物在个体发 育中，体细胞会发生染色体丢失现象，只有将来 分化形成生殖细胞的那些细胞才保持完整的基因 组。 目前在高等真核生物（包括动、植物）中尚 未发现类似的基因丢失现象。
基因丢失
马蛔虫受精卵里只有一对染色体（2n = 2），
DNA 水平的调控
基因扩增
基因扩增是指细胞内某些特定基因的拷贝数
专一性地大量增加的现象，它是通过改变基因的
数量而调节基因表达的一种调控方式。当发育分
化或环境条件改变，使对某种基因产物的需要量 剧增，单靠调节表达活性不足以满足需要时，依 靠基因扩增可迅速增加基因表达产物的量。
基因扩增（续）
在两栖类和昆虫的卵母细胞中，为贮备大量核
是活性染色质，一部分是非活性染色质。活性染
色质伸展成念珠状，有些地方还与组蛋白分离。
DNase Ⅰ超敏感位点
用极低浓度的 DNaseⅠ对染色质进行切割， 能 够 被 切 割 的 位 点 称 为 DNaseⅠ 超 敏 感 位 点 。 DNase Ⅰ超敏感位点位于活性染色质区。在活性 染色质区，由于DNA裸露，易受DNase Ⅰ切割。 有些 DNase Ⅰ超敏感位点是一个短的区域，即 30nm纤维为序列特异调节蛋白结合所中断的区域； 有些DNase Ⅰ超敏感位点是一些较长的区域，即 转录正在进行的区域。异染色质对 DNaseⅠ不敏 感。
倍。这说明与核基质结合力较强的 MAR 比结合力
较弱的MAR对基因表达的影响较大。
MARs 的调节作用（续）
在对番茄热激蛋白基因表达的研究中发现，
只有在3’MAR、5’MAR及内含子均存在的情况 下基因正常表达，缺少其中一个将大大降低基 因表达。这说明基因侧翼的 MARs 和内含子对 于基因表达的调控有关。
DNA甲基化与基因表达
高度甲基化基因的表达受到抑制。由于不同 的基因在不同的器官或不同的发育阶段表达，其 甲基化状况也发生相应的变化。如雌性哺乳动物 的一条X染色体高度甲基化，而以非活性状态存在； 珠蛋白基因在红细胞中是低甲基化的，而在不表 达珠蛋白的其他细胞中则高度甲基化；管家（看 家、持家）基因（ housekeeping gene ）是持续表 达的，其转录起始区很少发生甲基化。实验表明， 低甲基化区域与DNaseⅠ超敏感区域是十分吻合的。
11 转录前的基因活化
11.1 DNA水平的调控 11.2 染色质结构与基因活化 11.3 核基质附着区与基因表达 11.4 DNA甲基化在调节基因表达中的作用
基因表达调控的层次
基因表达受发育阶段及环境因素的影响。 生物体对基因表达的调控有许多的层次，如 转录前的基因活化、转录过程、转录后的
RNA 加工成熟过程、翻译过程、翻译后的多
一般认为，高度甲基化的区域是不转录区域。
DNA甲基化的作用
甲基化能防止相关限制酶的切割作用，还能 阻碍调节蛋白与之结合，在基因启动子和编码区 的甲基化可能抑制转录。 植物DNA甲基化主要存在于核基因组。
限制性内切酶对甲基化和 非甲基化CCGG的切割
不对称序列的甲基化，新合成的子链不甲基化。
图11－9 DNA复制时甲基化类型的传递
合 的 那 段 序 列 称 为 基 质 附 着 区 （ matrix
attachment regions ， MARs ），或称为基质结
合区（ matrix association regions ， MARs ）。 MARs 之间的环约为 5~200kb 左右。如果以间期 染色质平均85kb有一个环来计算，具有109核苷 酸对的二倍体细胞应有23,000个MARs。
在H1组蛋白特异的氨基酸残基上发生磷酸化时，
染色质凝缩，使该区域成为异染色质。关闭该 区段的基因表达。
核心组蛋白修饰
核心组蛋白修饰后会影响它们与 DNA 的结合，
修饰作用包括乙酰化、磷酸化和甲基化。其中核 心组蛋白赖氨酸残基被乙酰化后，减少了组蛋白 的正电荷，降低了与DNA的结合力。活性染色质 往往是高度乙酰化的。
基因重排
小鼠的重链和 κ链基因族各有 V片段约200个，
λ 链的 V 片段有 5 个； J 片段有 5 个； D 片段有 12 个。
人的抗体基因族结构大体相似，但分布在不同染 色体上。当淋巴细胞受到抗原刺激而分化为浆细 胞时，胚原型DNA将发生基因重排而形成表达型 DNA 。重链取一个 V 、 D 、 J 与 L 、 C 重排成表达
当个体发育到一定阶段后，在将分化为体细胞的
那些细胞中，这对染色体破碎成许多小染色体。 有的小染色体具有着丝粒，在细胞分裂中得到保 留，不具有着丝粒的小染色体因为在以后的细胞 分裂中不能分配到下一代细胞中而丢失，在将形
成生殖细胞的那些细胞里却没有染色体破碎和丢
失现象。这些基因的丢失决定了细胞的命运。
基因丢失（续）
些染色体外扩增的环状 rDNA 拷贝即失去功能并逐 渐消失。
基因扩增（续）
外界环境因素也可以造成基因扩增。用二氢叶 酸还原酶的抑制剂氨甲喋呤处理离体培养的细胞系， 可以使这个酶的基因 dhfr 扩增达到40～400个拷贝， 从而产生更高的酶活性来增加对氨甲喋呤的抗性。 基因扩增了的细胞系可分为两大类：一类是稳定系 （stable lines），无论是否除去氨甲喋呤，扩增的 dhfr 基 因 都 依 然 存 在 ； 另 一 类 是 不 稳 定 系 （ unstable lines ），扩增的 dhfr 基因在除去氨甲喋 呤后逐渐消失。
一个编码重链。
基因重排
小鼠的 κ 、 λ 和重链的基因家族分别位于第 6 、
12和16号染色体上。决定轻链的基因族上分别由
L、V、J、C四类基因片段，L代表前导片段
（ leader segment ）， V 代表可变片段（ variable
segment ）， J 代表连接片段（ joining segment ）， C代表恒定片段（constant segment）。决定重链 的基因族上共有L、V、D、J、C五类基因片段， 其中D代表多样性片段（diversity segment）。
小鼠Igμ重链的基因重排、 转录与合成的顺序（续）
图11－1 真核生物染色体的组装模式
常染色质和异染色质
常染色质是间期核内凝缩程度相对较低的染 色质区，异染色质是凝缩程度相对较高的染色质 区。按其功能来分，根据其是否转录区域，还可
以将染色质分为活性染色质和非活性染色质，异
染色质中都是非活性染色质。常染色质中一部分